JP3576681B2

JP3576681B2 - Optical storage device

Info

Publication number: JP3576681B2
Application number: JP03210596A
Authority: JP
Inventors: 雄三平山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-02-20
Filing date: 1996-02-20
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2016-02-20
Also published as: JPH09232525A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光半導体装置に係わり、特に長時間データが保持でき高速の読み書きが可能な光記憶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、長距離大容量の光通信システムの発展に伴い、大容量の光交換システムや光情報処理システムが必要となってきている。また、光コンピュータの実現に向けた研究も盛んである。このようなシステムでは、光スイッチや光論理演算素子のみでなく、光記憶装置が必要である。光を記憶し取り出す技術は難しく、光ファイバ中を周回させるもの、ホールバーニングメモリやフォトンエコー等の研究があるのみである。
【０００３】
しかしながら、この種の従来の光記憶装置にあっては、次のような問題があった。即ち、光ファイバ中を周回させる場合は、装置が大掛かりでかつ動作が不安定であった。また、ホールバーニングメモリやフォトンエコーを用いる場合は、記録媒体に金属蒸気，色素，希土類等の特殊な材料を用いなければならなかったり、低温でないと動作しないという欠点があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のホールバーニングメモリやフォトンエコーでは、特殊な材料を用いたり、低温でないと動作しないという問題があった。また、光ファイバ中を周回させて光を閉じ込める方法は、装置が非常に大掛かりになり、また安定性も悪かった。
【０００５】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、実用的な材料でかつ簡易な構成で実現することができ、安定性に優れた高性能の全く新しい光記憶装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
即ち本発明は、光の閉じ込めと放射を利用した光記憶装置において、２準位系若しくは擬２準位系において場と結合できる光のモードの数を０（系から光を放射できない状態）と１（系から光を放射できる状態）の間で変化させる手段と、前記系に１回若しくは複数回連続するπ／２パルス記録光を照射する手段と、前記系に前記記録光に引き続きπパルスリフレッシュ光を１回若しくは複数回照射する手段とを具備してなることを特徴とする。
【０００７】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては、次のものがあげられる。
（１）光のモードの数を０にする手段として、共振器を光の波長オーダ程度に微小に形成してキャビティＱＥＤの効果（量子電磁気学的効果）を利用する。
（２）光のモードの数を１にする手段として、系に制御光を照射する。
（３）量子井戸構造をブラッグ反射鏡で挟み、量子井戸のサブバンド間で擬２準位系を形成する。
（作用）
本発明によれば、２準位系若しくは擬２準位系において系が結合できる光のモードの数を０と１の間で変化させる手段を設けると共に、π／２パルス記録光とそれに引き続くπパルスリフレッシュ光を照射する手段とを設けるが、このことは重要な意味を持つ。これを、図４を用いて以下に説明する。
【０００８】
図４は、ブロッホベクトルの成分であるｕ，ｖ，ｗを座標軸上に表したものである。ｕ，ｖ，ｗはそれぞれ同相のダイポールモーメント、直角位相のダイポールモーメント、上の準位と下の準位のポピュレーションの差を意味している。
【０００９】
いま、系（２準位系若しくは擬２準位系）にπ／２パルス記録光を入射すると（ａ）、系の状態は上位準位にいる確率と下位準位にいる確率が等しい状態になる（ｂ）。そして、時間と共に位相拡散を起こす。ここで、引き続きπパルスを入射すると、ベクトルは図に示したように反転し（ｃ）、ある時間の後にばらばらだったベクトルが完全に一致する（ｄ）。
【００１０】
通常はこのとき、エコーパルスや超放射として知られる光の放出が起こる。従来はこの光の放出が起きるまでの時間が短かったり、光を放出するまでの時間が原理的には長い材料の場合でも、時間と共に位相ずれが蓄積して反転動作後にベクトルが完全に一致せず、有効な光の放出が行われないこともあった。このため、記憶を長い時間保持するには、金属蒸気や有機材料のごく一部のものしか用いることができなかった。
【００１１】
本発明では、２準位系若しくは擬２準位系において系が結合できる光のモードの数を０、即ち光が系から放射できないようにしておく。これは、共振器を光の波長オーダ程度に微小にする、いわゆるキャビティＱＥＤの効果を用いることにより実現できる。そのため、系が光を放出しようとしても実際には放出されず、ベクトルは再び位相拡散を起こす（ｅ）。
【００１２】
ここで、引き続きπパルスのリフレッシュ光を照射すると、ベクトルは再び反転し（ｆ）、ある時間の後にばらばらだったベクトルが完全に一致する（ｇ）。そして、πパルスのリフレッシュ光を複数回照射して反転動作を繰り返すことにより、光のエネルギーを系に長い時間蓄えておくことができるのみならず、僅かに生じた位相のズレを毎回ベクトルがほぼ一致した時に起きる引き込み現象により解消できる。そのため、半導体のような緩和時間の短い材料も記憶材料として使うことが可能である。
【００１３】
そして、例えば制御光の照射により、望みの時に系が結合できる光のモードの数を０から１にすれば、光を外に放出させることができる（ｈ）。
このように本発明によれば、２準位系若しくは擬２準位系において場と結合できる光のモードの数を０と１の間で変化させる手段を設けると共に、π／２パルス記録光とそれに引き続くπパルスリフレッシュ光を系に照射する手段を設けることにより、π／２パルス照射で生じた系の変化を長時間保つことができ、安定な記憶動作が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる光記憶装置の概略構造を示す断面図である。
【００１５】
図示しないＩｎＰ基板上に、ＩｎＡｌＡｓバッファ層１１を形成した後、ＡｌＡｓ障壁層（厚さ３ｎｍ）１２とＩｎＧａＡｓ井戸層（厚さ１ｎｍ）１３からなる量子井戸構造を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により形成した。井戸層１３には、Ｓｉを２．０×１０^１９ｃｍ^−３ドーピングした。さらに連続してＩｎＡｌＡｓキャップ層１４を成長した。
【００１６】
次いで、ＩｎＰ基板を除去した後、量子井戸構造の上下にＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなるブラッグ反射鏡１５を直接接着法により形成した。ここで、量子井戸のサブバンド間で擬２準位系が形成される。
【００１７】
このサンプルを４．２Ｋの低温に冷却し、光記憶素子として動作させた。まず、ＮａＣｌカラーセンターレーザを用いて波長１５００ｎｍ帯のフェムト秒π／２パルス記録光を発生し、これをサンプルに照射した。引き続き、フェムト秒πリフレッシュ光を１ピコ秒間隔で繰り返し照射した。系からの光放射は見られなかった。これは、キャビティＱＥＤの効果により系が場と結合できない状態にあったためと理解される。
【００１８】
数分後にブラッグ反射鏡部分にキャビティＱＥＤ効果を制御する光（例えば、波長１３００ｎｍ帯のサブピコ秒パルス）を入射したところ、系からの光放射がフォトディテクタ１６により確認された。これは、制御光によりブラッグ反射鏡１５の屈折率が変化し、系と場との結合が生じたためと考えられる。このようにして最初に入射したフェムト秒π／２パルス記録光が実際に保持されているのを確認できた。
【００１９】
図２は、複数の信号を記憶する際のパルスのタイミングチャートの例である。信号光（π／２パルス）を“１０１０”のパターンになるように２回連続して照射した後、リフレッシュ光（πパルス）を一定間隔で照射する。このとき、２つの信号光パルスは周波数を互いに僅かに異なるようにしておく。読み出しが必要な時に制御光を照射することにより、出力光が“１０１０”に応じて２回得られる。
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係わる光記憶装置の概略構造を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００２０】
本実施形態は、先に説明した第１の実施形態における光記憶素子を複数個集積化したものである。即ち、前記図１に示した素子がＩｎＰ基板３１上に複数個集積化され、各々に対してフォトディテクタ１６が設けられている。
【００２１】
このような構成であれば、個々の素子は第１の実施形態と同様に、記録光の照射に続くリフレッシュ光の照射により記録光を保持し、制御光の照射により記録光を放出する。従って読み出しを行うと、記憶されている素子のみからディテクタ１６に出力が得られる。
【００２２】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。実施形態では半導体材料を用いて素子を構成したが、従来用いられている原子蒸気や有機材料を用いても従来に優る良好な記憶動作が得られる。また、実施形態では動作波長を１５００ｎｍ付近に設定したが、他の波長領域でも良い。また、実施形態では量子井戸のサブバンド間で擬２準位系を形成したが、擬２準位系に限らず２準位系を有する構造に適用することもできる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、２準位系若しくは擬２準位系において場と結合できる光のモードの数を０と１の間で変化させる手段と、系に１回若しくは複数回連続するπ／２パルス記録光を照射する手段と、系に記録光に引き続きπパルスリフレッシュ光を１回若しくは複数回照射する手段とを設けることにより、従来得られなかった高性能の光記憶素子を簡易な構成で実現することができる。その結果、光情報処理システムに用いる光素子を低コストで得られるのみならず、その信頼性は高く、本発明の有用性は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる光記憶装置の概略構造を示す断面図。
【図２】信号光を記憶，保持，読み出しする際のパルスのタイミング図。
【図３】第２の実施形態に係わる光記憶装置の概略構造を示す断面図。
【図４】本発明の動作原理を説明するための図。
【符号の説明】
１１…ＩｎＡｌＡｓバッファ層
１２…ＡｌＡｓ障壁層
１３…ＩｎＧａＡｓ井戸層
１４…ＩｎＡｌＡｓキャップ層
１５…ＧａＡｓ／ＡｌＡｓブラッグ反射鏡
１６…フォトディテクタ
３１…ＩｎＰ基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical semiconductor device, and more particularly, to an optical storage device that can hold data for a long time and can read and write at high speed.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the development of long-distance, large-capacity optical communication systems, large-capacity optical switching systems and optical information processing systems have become necessary. In addition, research on the realization of optical computers is also active. In such a system, not only an optical switch and an optical logic operation element but also an optical storage device are required. Techniques for storing and extracting light are difficult, and there are only studies on those that circulate in optical fibers, hole burning memories, photon echoes, and the like.
[0003]
However, this type of conventional optical storage device has the following problems. That is, when the optical fiber is circulated in the optical fiber, the device is large and the operation is unstable. Further, when a hole burning memory or a photon echo is used, there is a disadvantage that a special material such as a metal vapor, a dye, a rare earth element or the like must be used for the recording medium, or that the apparatus does not operate unless the temperature is low.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional hole burning memory and the photon echo, there is a problem that the operation is not performed unless a special material is used or the temperature is low. In addition, the method of confining light by orbiting in an optical fiber requires a very large device and has poor stability.
[0005]
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and has as its object to realize a completely new optical system that can be realized with a practical material and with a simple configuration, and has excellent stability and high performance. A storage device is provided.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
(Constitution)
In order to solve the above problems, the present invention employs the following configuration.
That is, according to the present invention, in an optical storage device utilizing light confinement and radiation, the number of light modes that can be coupled to a field in a two-level system or a quasi-two-level system is set to 0 (a state in which light cannot be emitted from the system). 1 (a state in which light can be emitted from the system); a means for irradiating the system with π / 2 pulse recording light once or plural times continuously; and a π pulse following the recording light on the system. Means for irradiating refresh light once or a plurality of times.
[0007]
Here, preferred embodiments of the present invention include the following.
(1) As a means for reducing the number of light modes to 0, a cavity is formed minutely on the order of the wavelength of light and the effect of the cavity QED (quantum electromagnetic effect) is used.
(2) As a means for setting the number of light modes to one, the system is irradiated with control light.
(3) A quantum well structure is sandwiched between Bragg reflectors to form a pseudo-two-level system between quantum well subbands.
(Action)
According to the present invention, there is provided means for changing the number of light modes that can be combined by the system in a two-level system or a quasi-two-level system between 0 and 1, and a π / 2 pulse recording light and a subsequent π / 2 pulse recording light are provided. Means for irradiating pulse refresh light are provided, which has an important meaning. This will be described below with reference to FIG.
[0008]
FIG. 4 shows u, v, and w, which are components of a Bloch vector, on a coordinate axis. u, v, and w mean the in-phase dipole moment, the quadrature-phase dipole moment, and the difference between the population of the upper level and the population of the lower level, respectively.
[0009]
Now, when a π / 2 pulse recording beam is incident on a system (two-level system or pseudo-two-level system) (a), the state of the system becomes a state in which the probability of being in the upper level is equal to the probability of being in the lower level. (B). Then, phase diffusion occurs with time. Here, when the π pulse is continuously incident, the vector is inverted as shown in the figure (c), and the vector that has been separated after a certain time completely matches (d).
[0010]
Usually at this time, emission of light occurs, known as an echo pulse or superradiance. Conventionally, even for materials that take a short time to emit this light or that take a long time to emit light in principle, the phase shift accumulates over time and the vectors completely match after inversion. In some cases, effective light was not emitted. For this reason, only a small portion of metal vapor or organic material can be used to retain the memory for a long time.
[0011]
In the present invention, the number of light modes that the system can couple in a two-level system or a quasi-two-level system is set to 0, that is, the light cannot be emitted from the system. This can be realized by using the effect of a so-called cavity QED in which the size of the resonator is reduced to the order of the wavelength of light. Therefore, when the system attempts to emit light, it is not actually emitted, and the vector undergoes phase diffusion again (e).
[0012]
Here, when the refresh light of the π pulse is continuously irradiated, the vector is inverted again (f), and the vector that has been separated after a certain time completely matches (g). By irradiating the π-pulse refresh light a plurality of times and repeating the inversion operation, not only can the light energy be stored in the system for a long time, but also the vector generated almost every time a slight phase shift occurs. It can be resolved by the pull-in phenomenon that occurs when they match. Therefore, a material having a short relaxation time such as a semiconductor can be used as a memory material.
[0013]
If the number of light modes that can be combined by the system at a desired time is changed from 0 to 1 by irradiation with control light, for example, light can be emitted to the outside (h).
As described above, according to the present invention, a means for changing the number of light modes that can be coupled to a field between 0 and 1 in a two-level system or a quasi-two-level system is provided. By providing a means for irradiating the system with the subsequent π pulse refresh light, a change in the system caused by π / 2 pulse irradiation can be maintained for a long time, and a stable storage operation can be performed.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic structure of the optical storage device according to the first embodiment of the present invention.
[0015]
After forming an InAlAs buffer layer 11 on an InP substrate (not shown), a quantum well structure composed of an AlAs barrier layer (thickness 3 nm) 12 and an InGaAs well layer (thickness 1 nm) 13 is formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). Formed. The well layer 13 was doped with 2.0 × 10 ¹⁹ cm ^{−3 of} Si. Further, the InAlAs cap layer 14 was continuously grown.
[0016]
Next, after removing the InP substrate, Bragg reflectors 15 made of GaAs / AlAs were formed directly above and below the quantum well structure by a direct bonding method. Here, a quasi-two-level system is formed between the subbands of the quantum well.
[0017]
This sample was cooled to a low temperature of 4.2K and operated as an optical storage element. First, femtosecond π / 2 pulse recording light in a wavelength band of 1500 nm was generated using a NaCl color center laser, and the sample was irradiated with the recording light. Subsequently, femtosecond π refresh light was repeatedly applied at intervals of 1 picosecond. No light emission from the system was seen. This is understood to be because the system could not be coupled to the field due to the effect of the cavity QED.
[0018]
A few minutes later, light for controlling the cavity QED effect (for example, a sub-picosecond pulse in the 1300 nm wavelength band) was incident on the Bragg reflector portion, and light emission from the system was confirmed by the photodetector 16. This is presumably because the control light changed the refractive index of the Bragg reflecting mirror 15 to cause coupling between the system and the field. In this way, it was confirmed that the femtosecond π / 2 pulse recording light that first entered was actually held.
[0019]
FIG. 2 is an example of a pulse timing chart when storing a plurality of signals. After continuously irradiating the signal light (π / 2 pulse) twice so as to form a pattern of “1010”, the refresh light (π pulse) is irradiated at regular intervals. At this time, the frequencies of the two signal light pulses are slightly different from each other. By irradiating control light when reading is necessary, output light is obtained twice according to “1010”.
(Second embodiment)
FIG. 3 is a sectional view showing a schematic structure of an optical storage device according to the second embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0020]
In the present embodiment, a plurality of optical storage elements according to the first embodiment described above are integrated. That is, a plurality of the elements shown in FIG. 1 are integrated on an InP substrate 31, and a photodetector 16 is provided for each of them.
[0021]
With such a configuration, the individual elements hold the recording light by the irradiation of the refresh light subsequent to the irradiation of the recording light, and emit the recording light by the irradiation of the control light, as in the first embodiment. Therefore, when reading is performed, an output is obtained to the detector 16 only from the stored elements.
[0022]
Note that the present invention is not limited to the embodiment described above. In the embodiment, the element is formed by using a semiconductor material. However, even when a conventionally used atomic vapor or an organic material is used, a better memory operation than the conventional one can be obtained. In the embodiment, the operating wavelength is set at around 1500 nm, but may be in another wavelength region. In the embodiment, the pseudo-two-level system is formed between the subbands of the quantum well. However, the present invention is not limited to the pseudo-two-level system and can be applied to a structure having a two-level system. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0023]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, means for changing the number of light modes that can be coupled to a field between 0 and 1 in a two-level system or a quasi-two-level system; By providing a means for irradiating π / 2 pulse recording light successively twice and a means for irradiating π pulse refresh light once or a plurality of times subsequent to the recording light in the system, a high-performance optical storage which could not be obtained conventionally. The element can be realized with a simple configuration. As a result, not only can the optical element used in the optical information processing system be obtained at low cost, but also its reliability is high, and the usefulness of the present invention is enormous.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic structure of an optical storage device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a timing chart of pulses when storing, holding, and reading out signal light.
FIG. 3 is a sectional view showing a schematic structure of an optical storage device according to a second embodiment.
FIG. 4 is a diagram for explaining the operation principle of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... InAlAs buffer layer 12 ... AlAs barrier layer 13 ... InGaAs well layer 14 ... InAlAs cap layer 15 ... GaAs / AlAs Bragg reflector 16 ... photodetector 31 ... InP substrate

Claims

２準位系若しくは擬２準位系において、場と結合できる光のモードの数を０と１の間で変化させる手段と、
前記系に１回若しくは複数回連続するπ／２パルス記録光を照射する手段と、前記系に前記記録光に引き続きπパルスリフレッシュ光を１回若しくは複数回照射する手段と、
を具備してなることを特徴とする光記憶装置。Means for changing between 0 and 1 the number of modes of light that can be coupled to a field in a two-level system or a quasi-two-level system;
Means for irradiating the system with π / 2 pulse recording light that is continuous one or more times, means for irradiating the system with π pulse refresh light once or more times subsequent to the recording light,
An optical storage device comprising:

光のモードの数を０にする手段として、共振器を光の波長オーダ程度に微小に形成してキャビティＱＥＤの効果（量子電磁気学的効果）を利用することを特徴とする請求項１記載の光記憶装置。2. The method according to claim 1, wherein the means for reducing the number of light modes to zero uses a cavity QED effect (quantum electromagnetic effect) by forming a resonator minutely on the order of the wavelength of light. Optical storage device.

光のモードの数を１にする手段として、系に制御光を照射することを特徴とする請求項１記載の光記憶装置。2. The optical storage device according to claim 1, wherein the system is irradiated with control light as means for setting the number of light modes to one.

量子井戸構造をブラッグ反射鏡で挟み、量子井戸のサブバンド間で擬２準位系を形成することを特徴とする請求項１記載の光記憶装置。2. The optical storage device according to claim 1, wherein the quantum well structure is sandwiched between Bragg reflectors to form a pseudo-two-level system between subbands of the quantum well.